一种直流高压电源的设计实现

朱亦丹，张小伟

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州，225101）

1 工作原理与方案组成

众所周知，在电力系统中采用绝缘测试时的电阻测量以及成像系统所采用的高压电源皆为直流高压电源，往往作为测试源或激励源。因此，该类直流高压电源必须具备电压较高、电流较小的基本特征。因此，本文设计了电压为10kV、电流为2mA的直流高压电源，其结构框架如图1所示。在本文探究的直流高压电源设计方案中，主要包括控制器、驱动部分、主拓扑电路、升压变压器、倍压电路、调理电路和采样电路等诸多结构。就直流高压电源设计系统中的驱动部分而言，该电路位于控制电路和主功率拓扑电路之间，驱动部分将实现对整个直流高压电源系统控制电路输出的PWM脉冲信号的放大与驱动，保证整个电路系统驱动功率满足电路作用功能。同时，驱动电路也是整个电源系统的重要组成部分，能够在驱动部分结构中采取相应保护措施，保护整个直流高压电源结构功能满足的同时，使电路系统呈现安全平稳运行状态。

图1 直流高压电源设计方案图

2 主拓扑电路分析

主拓扑电路设计是本文所设计的直流高压电源的重要组成部分，主要应用于联通或断开整个电路开关。也就是说，本文采用的直流高压电源系统主控制器在输入PMW脉冲信号后，主要借助驱动电路放大，对其进行双管管制，达到电源电路开通或断开的控制作用。在整个电源系统中，前半阶段采用驱动电路及保护电路方式，驱动功率管实现拓扑电路的相关功能，具体主拓扑电路结构如图2所示。

由图2可知，主拓扑电路采用推挽开关电路形式，由互相补充的断开或接通开关管、升压变压器组成，后续电源电路则采用倍压整流电路方式，既能使变压器体积得到大幅度缩减，又不影响整个电源电路结构功能的正常发挥。在主拓扑电路运行时，由于变压器原边绕组是主拓扑电路结构的重要组成部分，而副边绕组则进一步受到变压器原边绕组控制，在电压升高时呈现输出状态。整个工作流程如下：当主拓扑控制电路器发出一定的PWM脉冲信号后，该脉冲信号进一步经过驱动电路，而较高的电平压力则到达电路结构图中的Q1，控制Q1处于导通状态，保证Q2电平处于低电位状态，同时使Q2处于断开状态，实现整个主拓扑控制电路功能的正常实现。

图2 主拓扑电路结构图

3 倍压电路

由于倍压电路在整个直流高压电源结构设计过程中处于次级回应电路，因此，可将变压器的副边输出电压值经过倍压电路升压后达到原本电压值的2倍、4倍、8倍、16倍甚至更多倍速，明显缩小传统模式下不采用倍压电路时的变压器体积，有效降低由于电压器副边绕组线圈的缠绕难度和运行成本，降低直流高压电源供电测试的高压风险。在本文设计过程中，由于最大输出电压值为10kV，故考虑变压器本身所拥有参数及损耗问题，直流高压电源系统采用三节六倍压电路，整个系统能够输出高达10kV的稳定电压。

在直流高压电源系统设计结构中，当变压器的副边绕组输出为上端正电流、下端负电流时，变压器的绕组上的并联电容和串联电容接将进入充电状态，此时的电流实际流向将发生变化。当变压器副边绕组输出为上端负电流下端正电流时，变压器的绕组方向又将进一步发生变化。由于高压直流电源系统中推挽电路受到控制器的交替控制与导向疏通作用，因此，副边倍压电路将会进一步重复上述输出端正负值变化过程，直到整个副边变压器处于稳定状态，此时的电容两端电压将处于稳定状态。总而言之，在直流高压电源系统设计过程中，倍压电路结构简单，功能实现方便灵活，但倍压电路对整个直流高压电路系统输出纹波和带负载时的电压跌落存在着较大影响。

4 闭环控制

为保证直流高压电源系统设计功能的快速实现，本文采用的直流高压电源可根据预先设定的输出值达到稳定的输出电压，因此，主要采用闭环控制方式，其原理框架如图3所示。由于直流高压电源系统设计时具备采样电路和信号调理电路，因此，将最终输出值对应的高压电源系统电压采样调理为0～3V，将电压信号送入控制器的某一端口，控制器根据反馈得到实际输出电压值，将实际值与预测值进行对比后分析进行闭环控制，再进一步根据实际输出电压值和设定电压值的比较结果，调整输出的PWM脉冲信号占空比，保证整个直流高压电源系统电压输出的精确性与稳定性。

图3 闭环控制原理框架图

5 系统测试及结果讨论

在完成直流高压电源系统设计后，根据某直流高压电源项目进行了实物设计及系统调试，制作了对应电路板，将实际拓扑结构及控制策略进行优化仿真，仿真结果较为理想，且具体仿真输出波形图结构符合预期目标。在直流高压电源系统的实际调试过程中，考虑直流高压电源系统的整体设计情况，测试PWM占空比对真实输出电压值的具体影响。在前期的测试过程中，由于测试数据为开环数据，且考虑整个直流高压系统项目后续更高压等级电源的设计发展，因此，所有参数余量设置较大。在10kV的测试需要基础上，采用专用的高压探头和高精度的万用表串接负荷回路，测试整个直流高压电路的实际电流值，计算得到输出电压值。具体测量结果如表1所示，实际测量时的电阻负荷为3M欧姆。由表可知，直流高压电源设计完全满足初始设计初衷，有效实现了输出电压10kV的负荷能力，为直流高压电源设计及其后期测试激励应用提供了重要参考。

表1 测量结果示意